Полный усилитель на микросхемах. Часть 5-4. Токовая помпа Хоуленда (подписка на платы завершена)

Howland Current Pump. Особенность построения УМЗЧ настоящего проекта заключается в том, что его выходной каскад выполнен на микросхеме усилителя мощности LM1875 по схеме преобразователя напряжение – ток, а в целом усилитель охвачен общей отрицательной обратной связью по напряжению с помощью маломощного операционного усилителя. В результате обеспечивается постоянство коэффициента демпфирования в рабочем диапазоне частот и достигается отсутствие «переключательных» искажений, свойственных двухтактным выходным каскадам класса АВ.

Отличительной чертой УМЗЧ является натуральность звучания с широкой номенклатурой акустических систем.

↑ Токовая помпа Хоуленда

Принцип работы преобразователя напряжения в ток, известного как токовая помпа Хоуленда (Howland Current Pump), показан на рис. 1 [1 — 3]. Данный преобразователь давно знаком мне (неоднократно использовал в макетах научно – исследовательских разработок) как усилитель с отрицательной и положительной обратной связью. Его достоинством является то, что нагрузка заземлена.



Выходной ток в схеме равен Iвых=-R3Uвх/(R1R5). Если выполнить условие R5<<R4, R3=R4 и R1=R2, то выходное сопротивление будет определяться сопротивлением резистора R5, умноженным на относительный разбаланс моста R/Δ R (соответственно, R3 по отношению к R4 и R1 по отношению к R2):

Rвых=R5/(R/Δ R).

Как видим, чтобы получить небольшое выходное сопротивление требуется высокая точность резисторов моста. Если резисторы имеют отклонение от номинала 0,1%, то сопротивление R5=0,47 Ом будет трансформировано в эквивалентное выходное сопротивление не менее 470 Ом.

Таким образом, цепи обратной связи (положительной R2, R4 и отрицательной R1, R3) поддерживают постоянное соотношение между входным напряжением микросхемы DA1 и её выходным током (а не напряжением, как в классическом УМЗЧ!).

Разумеется, необходимо следить, чтобы выходное напряжение преобразователя напряжение-ток находилось в допустимых пределах:


Следует ожидать, что при таком схемотехническом решении не будут сказываться искажения типа «ступенька» выходного каскада, работающего в классе АВ.

↑ Добавим композитности

Конечно, выходное сопротивление усилителя в 470 Ом совсем не впечатляет. Чтобы получить малое выходное сопротивление, применим ещё один операционный усилитель, который охватим общей компонентной отрицательной обратной связью (рис. 2).


Общая ООС охватывает весь усилитель, включая входной каскад на маломощном ОУ DA1, и мощный преобразователь «напряжение-ток» на DA2. Коэффициент усиления по напряжению с входа усилителя составит Ku=1+R4/R3. Охват схемы общей ООС обеспечивает низкое выходное сопротивление (менее 0,05 Ом) во всем диапазоне рабочих частот усилителя. В результате стабилизируется коэффициент демпфирования нагрузки, который для Rн=4 Ом составит не менее 80, для Rн=8 Ом – 120.

Последнее позволяет надеяться на «всеядность» усилителя при работе с различными акустическими системами.
Поскольку каскад преобразователя напряжение-ток DA2 инвертирующий, то входы ОУ DA1 «поменялись» местами: инвертирующий вход стал неинвертирующим и наоборот.

Конденсатор C3 в цепи ООС DA1 формирует частоту среза АЧХ последовательно соединённых каскадов DA1, DA2, обеспечивая устойчивую работу с замкнутой петлёй общей ООС.

Цепь C1, R1 образует ФВЧ с инфранизкой частотой среза (1,2…1,8 Гц, см. часть 1 проекта), а ФНЧ С2, R2 предотвращает попадание в усилитель помех, лежащих вне звукового диапазона, его частота среза выбирается в пределах 210…230 кГц.

↑ Полная схема усилителя

Полная схема усилителя изображена на рис. 3.


Фильтры верхних частот C1, R2 и нижних частот R3, C2 предотвращают попадание в УМЗЧ внезвуковых помех.

Входной каскад УМЗЧ собран на маломощном операционном усилителе DA1 по неинвертирующей схеме. На микросхеме усилителя мощности DA2 выполнен выходной каскад по инвертирующей схеме преобразователя напряжение – ток, известной как токовая помпа Хоуленда.

Цепи обратной связи преобразователя «напряжение – ток» образуют четыре сверхточных резистора R6…R9 (точность 0,1%) и датчик тока R11.

Последовательно включённые каскады на микросхемах DA1 и DA2 охвачены общей ООС через резисторы R10, R4.
Конденсатор С3 вместе с резистором R4 определяет нижнюю границу воспроизводимого усилителем диапазона частот.

Резистор R5 – конструктивный, включён между силовыми и сигнальными общими проводами. Он необходим для предотвращения выхода усилителя из строя при случайном отключении общего провода от источника сигнала.

Конденсатор С4 в цепи ООС ОУ DA1 служит для частотной коррекции последовательно соединённых каскадов на DA1 и DA2. Дополнительную устойчивость обеспечивает цепь Зобеля R12, C12.

Питание операционного усилителя DA1 осуществляется от размещённого на печатной плате усилителя мощности двухполярного источника питания напряжением ±15 В, выполненного на маломощных стабилизаторах положительной (DA3) и отрицательной (DA4) полярности.

Выходы маломощного двухполярного источника питания шунтированы конденсаторами С6, С7; между выводами питания ОУ DA1 включён плёночный конденсатор С5.

Цепи питания преобразователя напряжение – ток шунтированы оксидными конденсаторами С10, С11; для улучшения их свойств на высоких частотах параллельно включены плёночные конденсаторы С8, С9.

↑ Усовершенствование усилителя

В дальнейшем я провёл небольшое усовершенствование усилителя: увеличил ёмкость конденсатора С3 почти в пять раз (до 220 мкФ). Эта казалась бы ненужная операция (ведь полоса пропускания и так составляет менее 2 Гц по уровню – 3 дБ) позволила снизить электролитические искажения, вызванные падением звукового напряжения на конденсаторе С3 и уровень шумов усилителя.

Итак, не следует забывать, что для минимизации искажений в оксидных конденсаторах, установленных в сигнальных цепях, следует в 5…10 раз увеличить их расчётные параметры по ёмкости и в 2…3 раза по рабочему напряжению.

↑ Печатная плата

Размещение элементов на печатной плате усилителя показано на рисунке.


Монтаж элементов на печатной плате выполняют в последовательности: перемычки, резисторы, конденсаторы (неполярные, оксидные), цанговая панелька для микросхемы DA1, микросхемы, клеммники. Резисторы немного приподнимают над платой; для удобства выполнения работы используют полоску из картона или любого другого изоляционного материала толщиной 0,5…1 мм.

↑ Файлы

Схемы и печатные платы можно взять тут.
🎁Part_5-4.zip  34.35 Kb ⇣ 435

↑ Упомянутые источники

1. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. – М.: Энергоатомиздат, 1988, с. 65 — 74.
2. Negro C., Russo V. The Solid – State Duo, Part 1, Part 2 //AudioXpress, №4, 2011, с. 6-14; №5, 2011 с. 6 — 15.
3. Дайджест // Радиохобби, 2011, №3, с. 21 – 24.

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации